核電廠(chǎng)混凝土次氯酸鈉儲(chǔ)罐腐蝕分析與緩解對(duì)策

江 鋒 陳 森 解東海 劉永剛

（1. 中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

國(guó)內(nèi)某濱海核電廠(chǎng)配置有三座NaClO儲(chǔ)罐，一座內(nèi)部尺寸為：長(zhǎng)5m、寬4m、高2.5m，兩座內(nèi)部尺寸為：長(zhǎng)5m、寬4m、高5m，罐體的主體為設(shè)計(jì)壁厚為300mm的鋼筋混凝土墻，內(nèi)部均采用玻璃纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹(shù)脂襯里玻璃鋼防腐層進(jìn)行防腐保護(hù)，盛放濃度為10%的NaClO溶液。檢查發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐罐體外表面暴露出鋼筋且發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，罐體混凝土材料發(fā)生部分開(kāi)裂和脫落。

為了定量評(píng)估儲(chǔ)罐腐蝕嚴(yán)重程度，為儲(chǔ)罐的后續(xù)檢查和維護(hù)工作提供指導(dǎo)，需對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行全面的腐蝕監(jiān)測(cè)與分析，找出發(fā)生腐蝕的機(jī)理，針對(duì)性地給出緩解措施。

1 儲(chǔ)罐檢測(cè)

1.1 外觀狀況檢查

經(jīng)目視檢查，儲(chǔ)罐外部混凝土整體狀況良好，但在基礎(chǔ)附近的潮濕部位發(fā)生了鋼筋銹蝕和混凝土漲裂等現(xiàn)象。儲(chǔ)罐南面墻體基礎(chǔ)附近發(fā)現(xiàn)兩處銹脹開(kāi)裂，尺寸分別為0.5×0.5m和0.3×0.5m，如圖1（a）和1（b）所示；儲(chǔ)罐的東南墻體轉(zhuǎn)角附近發(fā)現(xiàn)銹脹開(kāi)裂和露筋現(xiàn)象，銹脹區(qū)域約2.5×0.4m，露筋區(qū)域約0.5×0.1m，如圖1（c）和1（d）所示。

圖1 儲(chǔ)罐表面缺陷

1.2 鋼筋銹蝕電位測(cè)量

采用半電池電位法測(cè)量鋼筋銹蝕電位，根據(jù)混凝土中鋼筋表面各點(diǎn)的電位評(píng)定鋼筋的銹蝕狀態(tài)。選擇鋼筋銹蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行鋼筋銹蝕電位的測(cè)量，測(cè)量位置如圖2所示。鋼筋銹蝕電位的測(cè)量共設(shè)置13×15（195）個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間隔100mm，電位測(cè)量?jī)x器采用丹麥Germann公司的Canin+型鋼筋銹蝕檢測(cè)儀。測(cè)得鋼筋電位分布云圖如圖3所示。

圖2 鋼筋銹蝕電位測(cè)量位置

圖3 鋼筋銹蝕電位等勢(shì)圖

對(duì)比鋼筋銹蝕電位等勢(shì)圖與現(xiàn)場(chǎng)情況可以發(fā)現(xiàn)，靠近基礎(chǔ)附近的鋼筋銹蝕電位更負(fù)，表明基礎(chǔ)附近的鋼筋銹蝕較為劇烈，現(xiàn)場(chǎng)情況也可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)附近的鋼筋已發(fā)生了嚴(yán)重銹蝕，距離基礎(chǔ)0.5m以上的鋼筋銹蝕電位較正，表明此處的鋼筋處于未銹蝕狀態(tài)或銹蝕概率較低，現(xiàn)場(chǎng)情況也可以發(fā)現(xiàn)此處的混凝土外觀良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫。

GB/T 50344-2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的依據(jù)半電池法測(cè)得的鋼筋銹蝕電位的判斷準(zhǔn)則如表1所示。

1.3 氯離子濃度測(cè)試

采用被鋼筋漲裂的混凝土塊作為樣品，氯離子濃度測(cè)試方法采用RCT法。首先使用RCT-500型氯離子含量測(cè)試儀測(cè)量濃度為0.005%、0.02%、0.05%、0.5%的標(biāo)準(zhǔn)溶液的電位，并記錄在專(zhuān)用坐標(biāo)系中，得出電位與濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。再測(cè)量1.5g混凝土樣品的提取液中的電位，根據(jù)上一步得出的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可得到樣品中的氯離子濃度為0.54%。

CECS220：2007《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中建議的鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間的估算公式為[2]：

式中：ti為鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間（a）；c為混凝土保護(hù)層厚度（mm）；K為氯鹽侵蝕系數(shù)，按規(guī)范取用；D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)（m2/a），按規(guī)范推薦確定；erf為誤差函數(shù)；Mcr為鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度（kg/m3）；Ms為混凝土表面氯離子濃度（kg/m3）。

儲(chǔ)罐混凝土材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，抗?jié)B等級(jí)為S6，氯鹽侵蝕系數(shù)K按照CECS220：2007《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中表6.0.4取值為2.19，將保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度c=20mm代入上式可得鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間ti=0.83年。由計(jì)算結(jié)果可知，該儲(chǔ)罐所處的環(huán)境中氯離子含量較高，導(dǎo)致鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間 較短。

以氣候條件為南方，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，構(gòu)件類(lèi)型為墻，保護(hù)層厚度為20mm的條件查詢(xún)CECS220：2007《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中表6.0.10和章節(jié)6.0.11，可知鋼筋開(kāi)始銹蝕至保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的時(shí)間ti=2.09年。

綜合上述計(jì)算過(guò)程可以推測(cè)，該儲(chǔ)罐混凝土墻體的銹脹開(kāi)裂時(shí)間大約發(fā)生在建成后的0.83+2.09=2.92年。

1.4 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

儲(chǔ)罐的鋼筋保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值為20mm，但現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)附近的鋼筋保護(hù)層厚度小于設(shè)計(jì)值，在氯離子的侵蝕下鋼筋已嚴(yán)重銹蝕。對(duì)地面以上0～1.4m范圍內(nèi)的鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量區(qū)域與鋼筋銹蝕電位測(cè)量區(qū)域相同。測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

表1 鋼筋電位與鋼筋狀態(tài)判別[1]

圖4 鋼筋保護(hù)層厚度分布

該區(qū)域共測(cè)得有效數(shù)據(jù)1 8 1 個(gè)，平均值為14.5mm，其中大于20mm的測(cè)點(diǎn)共有55個(gè)，分析保護(hù)層厚度測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：（1）測(cè)量區(qū)域內(nèi)的縱筋保護(hù)層厚度分布不均勻，最小值達(dá)到了1mm，最大值達(dá)到了37mm；（2）距離基礎(chǔ)0.5m以下的區(qū)域，鋼筋保護(hù)層厚度明顯低于設(shè)計(jì)值20mm，導(dǎo)致此處的鋼筋銹蝕嚴(yán)重；（3）測(cè)量區(qū)域靠近角柱的位置，鋼筋保護(hù)層也較小，現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果也印證此處出現(xiàn)了明顯的露筋現(xiàn)象。

1.5 混凝土碳化深度測(cè)試

選擇儲(chǔ)罐的兩個(gè)部位進(jìn)行了碳化深度測(cè)量，測(cè)區(qū)1位于圖2的鋼筋銹蝕電位測(cè)量區(qū)域，測(cè)區(qū)2位于儲(chǔ)罐的北面墻體。正常狀態(tài)下的混凝土呈高堿性狀態(tài)，無(wú)色的酚酞試劑會(huì)在其表面顯紅色，碳化后的混凝土呈中性或酸性，無(wú)法使酚酞變紅。測(cè)量時(shí)首先在混凝土表面避開(kāi)混凝土內(nèi)部的鋼筋呈“品”字型鉆3個(gè)測(cè)試孔，鉆孔后清除孔內(nèi)的殘余粉末，噴灑酚酞溶液。待酚酞變色后，測(cè)量變色區(qū)域的深度即為碳化深度，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

測(cè)區(qū)1的平均碳化深度為24.5mm，測(cè)區(qū)2的平均碳化深度為11mm。測(cè)區(qū)1的碳化深度已超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的保護(hù)層厚度，表明此處的混凝土已喪失對(duì)鋼筋的鈍化保護(hù)作用。

圖5 混凝土碳化深度測(cè)量結(jié)果

2 原因分析與緩解對(duì)策

2.1 原因分析

綜合上述資料調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果可知，NaClO儲(chǔ)罐發(fā)生的老化現(xiàn)象為鋼筋銹蝕導(dǎo)致的表面混凝土開(kāi)裂、剝落。通過(guò)對(duì)墻體表面混凝土中氯離子含量的檢測(cè)，結(jié)合混凝土表面破壞外觀狀況檢查可知導(dǎo)致這一破壞現(xiàn)象的直接原因是高氯和高濕環(huán)境下氯離子引起的鋼筋銹蝕，生成的鐵銹體積會(huì)產(chǎn)生膨脹大于原有體積，致使混凝土保護(hù)層由于壓力作用脹裂，最后破壞[3]。

合理的保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋具有良好的保護(hù)作用，該次氯酸鈉儲(chǔ)罐鋼筋保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)值為20mm，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)銹脹區(qū)域進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果表明該區(qū)域的保護(hù)層厚度嚴(yán)重低于設(shè)計(jì)值，該因素為導(dǎo)致罐體快速產(chǎn)生銹脹現(xiàn)象的根本原因。

2.2 緩解對(duì)策

混凝土構(gòu)筑物的氯離子侵蝕防護(hù)措施主要有施加防護(hù)涂層、布置陰極保護(hù)系統(tǒng)等手段，鑒于NaClO儲(chǔ)罐鋼筋外漏銹蝕較為嚴(yán)重，只在混凝土表面涂刷涂層難以阻止外界氯離子的侵入和已經(jīng)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕作用。對(duì)于混凝土表面已經(jīng)發(fā)生銹脹的區(qū)域（地表以上1m內(nèi)）需將銹脹的混凝土剔除，重新覆蓋一層厚度20mm以上的混凝土，保證鋼筋的保護(hù)層厚度達(dá)到設(shè)計(jì)值。同時(shí)還應(yīng)檢查儲(chǔ)罐內(nèi)部的防腐襯里層完整性并及時(shí)修復(fù)發(fā)現(xiàn)的襯里缺陷，避免氯離子從內(nèi)部滲入混凝土 結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果表明，該儲(chǔ)罐所處的環(huán)境氯離子含量較高，為進(jìn)一步阻止氯離子向混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部侵蝕，需將整個(gè)儲(chǔ)罐用環(huán)氧涂層覆蓋隔絕空氣。從罐體外漏鋼筋的銹蝕嚴(yán)重程度來(lái)判斷，鋼筋銹蝕的現(xiàn)象發(fā)生已有較長(zhǎng)時(shí)間，但電廠(chǎng)的巡檢制度并未及時(shí)發(fā)現(xiàn)罐體的銹脹現(xiàn)象，故應(yīng)增加巡檢頻率至不低于1次/年，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除缺陷。

3 結(jié)論

（1）濱海核電廠(chǎng)混凝土NaClO儲(chǔ)罐的腐蝕機(jī)理主要是海洋空氣中高濃度的氯離子侵蝕，滲入混凝土中腐蝕鋼筋，鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹蝕物膨脹，造成混凝土膨脹開(kāi)裂和脫落；

（2）儲(chǔ)罐施工時(shí)實(shí)際的鋼筋保護(hù)層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，促進(jìn)了氯離子侵蝕，使鋼筋腐蝕加速；

（3）混凝土平均碳化深度超過(guò)實(shí)際的保護(hù)層厚度，失去了對(duì)鋼筋的防腐保護(hù)，也促進(jìn)了鋼筋 銹蝕；

（4）核電廠(chǎng)需從儲(chǔ)罐的內(nèi)部襯里完整性檢測(cè)、腐蝕嚴(yán)重區(qū)加固防護(hù)、儲(chǔ)罐整體涂裝保護(hù)、提高巡檢頻率等角度緩解儲(chǔ)罐的腐蝕問(wèn)題，延長(zhǎng)儲(chǔ)罐的 壽命。